Finnische Methode

Die Finnische Methode (auch als Referenzwirkungsgradmethode bezeichnet, englisch alternative generation method) ist eine Methode zur Berechnung der Einsparung an Primärenergie bei der gemeinsamen in Kraftwärmekopplung (KWK) gewonnenen elektrischen Energie und Wärme gegenüber der getrennten bzw. ungekoppelten Gewinnung von elektrischer Energie und Wärme in einem Referenzsystem. Sie wird sowohl bei der Berechnung von Energiebilanzen ganzer Volkswirtschaften als auch zur Beurteilung einzelner KWK-Anlagen (z. B. Heizkraftwerke) angewendet.

Beschreibung der Methode

Zunächst werden über die thermische Jahresarbeit W_th,KWK, die elektrische Jahresarbeit W_el,KWK und den gesamten Jahresbrennstoffeinsatz W_Br,KWK für die KWK-Anlagen ein thermischer Wirkungsgrad η_th,KWK und ein elektrischer Wirkungsgrad η_el,KWK bestimmt:

$\eta _{\mathrm {th,KWK} }={\frac {W_{\mathrm {th,KWK} }}{W_{\mathrm {Br,KWK} }}}$

$\eta _{\mathrm {el,KWK} }={\frac {W_{\mathrm {el,KWK} }}{W_{\mathrm {Br,KWK} }}}$

Zusammen mit den thermischen und elektrischen Wirkungsgraden des Referenzsystems η_th,Ref und η_el,Ref kann dann die Primärenergieeinsparung PEE gegenüber dem Referenzsystem bestimmt werden:

$PEE=\left(1-{\frac {1}{{\frac {\eta _{\mathrm {th,KWK} }}{\eta _{\mathrm {th,Ref} }}}+{\frac {\eta _{\mathrm {el,KWK} }}{\eta _{\mathrm {el,Ref} }}}}}\right)\cdot 100\,\%$

Anmerkung: Da 100 % = 1 lässt sich die Formel alternativ auch ohne den Term „$\cdot$ 100 %“ darstellen.

Über die Primärenergieeinsparung und die Wirkungsgrade kann dann der gesamte Brennstoffeinsatz W_Br,KWK auf einen Brennstoffeinsatz zur Wärmeerzeugung W_th,Br und einen Brennstoffeinsatz zur Stromerzeugung W_el,Br aufgeteilt werden:

$W_{\mathrm {th,Br} }=W_{\mathrm {Br,KWK} }\cdot (1-PEE)\cdot {\frac {\eta _{\mathrm {th,KWK} }}{\eta _{\mathrm {th,Ref} }}}$

$W_{\mathrm {el,Br} }=W_{\mathrm {Br,KWK} }\cdot (1-PEE)\cdot {\frac {\eta _{\mathrm {el,KWK} }}{\eta _{\mathrm {el,Ref} }}}$

Die thermische und elektrische Jahresarbeit in Bezug zum jeweiligen Brennstoffeinsatz ergibt den effektiven Wirkungsgrad des Teilprozesses.

$\eta _{\mathrm {th,eff} }={\frac {W_{\mathrm {th} }}{W_{\mathrm {th,Br} }}}$

$\eta _{\mathrm {el,eff} }={\frac {W_{\mathrm {el} }}{W_{\mathrm {el,Br} }}}$

Herleitung der Primärenergieeinsparung

Die Primärenergieeinsparung PEE gegenüber dem Referenzsystem η_th,Ref und η_el,Ref begründet sich wie folgt. Durch Kraft-Wärme-Kopplung wird aus einer Brennstoffeinheit η_th,KWK Einheiten Wärme und η_el,KWK Einheiten elektrische Energie erzeugt. Hätte man diese Nutzenergien ungekoppelt mit den jeweiligen Referenztechnologien generiert, so wäre der folgende Brennstoffbedarf W_Br,Ref notwendig gewesen:

$W_{\mathrm {Br,Ref} }=\left({\frac {\eta _{\mathrm {th,KWK} }}{\eta _{\mathrm {th,Ref} }}}+{\frac {\eta _{\mathrm {el,KWK} }}{\eta _{\mathrm {el,Ref} }}}\right)\cdot W_{\mathrm {Br,KWK} }$

Die Primärenergiesparung ist die Differenz zwischen dem Brennstoffbedarf des ungekoppelten Referenzsystems W_Br,Ref und der Kuppelproduktion W_Br, bezogen auf das Referenzsystem.

$PEE={\frac {W_{\mathrm {Br,Ref} }-W_{\mathrm {Br,KWK} }}{W_{\mathrm {Br,Ref} }}}=1-{\frac {W_{\mathrm {Br,KWK} }}{W_{\mathrm {Br,Ref} }}}=1-\left({\frac {\eta _{\mathrm {th,KWK} }}{\eta _{\mathrm {th,Ref} }}}+{\frac {\eta _{\mathrm {el,KWK} }}{\eta _{\mathrm {el,Ref} }}}\right)^{-1}$

Anmerkung: Die Brennstoffallokation W_Br,th und W_Br,el verteilt die Primärenergieeinsparung zu gleichen Teilen auf die Strom- und Wärmeseite.

Anwendungen und Abgrenzung

Die Finnische Methode wird bei der Erstellung von Energiebilanzen angewandt, konkurriert aber mit anderen Methoden. So wird die Finnische Methode beispielsweise bei den von der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen für Deutschland erstellten Energiebilanzen angewendet, wobei Referenzwirkungsgrade von η_th,Ref = 80 % und η_el,Ref = 40 % angesetzt werden. Die Energiebilanzen der deutschen Bundesländer werden ebenfalls mit der Finnischen Methode, allerdings mit Referenzwirkungsgraden von η_th,Ref = 90 % und η_el,Ref = 40 % bestimmt. Im Gegensatz dazu verwenden z. B. International Energy Agency (IEA), Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) und Eurostat eine andere Methode.

Gemäß der europäischen KWK-Richtlinie 2004/8/EG war die Verwendung der Finnischen Methode zur Bestimmung der Primärenergieeinsparung von einzelnen KWK-Anlagen vorgeschrieben. Diese Richtlinie wurde durch die Energie-Effizienz-Direktive (EED) 2012/27/EU abgelöst, in der in Anhang II die Primärenergieeinsparung (PEE) nach der gleichen Formel zu berechnen ist.

Neben der Finnischen Methode existieren weitere Methoden zur Berechnung der Primärenergieeinsparung und Allokation von Brennstoffeinsätzen (und damit auch von CO₂-Emission) auf Strom und Wärme.

Vor- und Nachteile

Laut VDI-Richtlinie 4661 „gibt [es] keine Methode, die insgesamt, d.h. nach thermodynamischen, wirtschaftlichen und ökologischen Kriterien gleichermaßen zwingend anzuwenden wäre“. Es ist jeweils zu prüfen, ob die Finnische Methode oder eine andere Methode „für den jeweils betrachteten Fall und den daraus resultierenden Aussagen besser oder schlechter geeignet“ ist.

Als Vorteile der Finnischen Methode werden angegeben:

• Es erfolgt keine Überbewertung der Brennstoffeinsparung.
• Es wird nicht nur die betrachtete KWK-Anlage selbst beurteilt, sondern ihre Energieeinsparung zur ungekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung.

Daneben werden folgende Nachteile angegeben:

• Sie ist verhältnismäßig aufwändig.
• Es müssen Annahmen zu Referenzanlagen und damit Referenzwirkungsgraden getroffen werden. Die Referenzwirkungsgrade können in einem weiten Bereich streuen und haben daher einen starken Einfluss auf das Ergebnis.

Siehe auch

• Carnot-Methode
• Restwertmethode
• Äquivalenzziffermethode